Defekty punktowe w amonotermalnym azotku galu

Półprzewodniki azotkowe (GaN, AlN, InN) oraz ich stopy AlInGaN znane są z zastosowań w elektronice mocy i wysokiej częstości oraz optoelektronice (białe źródła światła LED, niebieskie i zielone lasery półprzewodnikowe). Większość urządzeń budowana jest obecnie w procesie epitaksji cienkich azotkowych struktur kwantowych na podłożach obcych, takich jak szafir, węglik krzemu (SiC) lub krzem (Si). Znacząco obniża to jakość działania takich urządzeń przez niedopasowanie stałych sieci i współczynników rozszerzalności termicznej. Rosną jednak oczekiwania, by zastępować obce podłoża podłożami objętościowymi GaN, zwłaszcza w elementach elektronicznych wysokiej mocy, wymagających dużych napięć pracy, wysokiej niezawodności oraz laserach o dużej mocy optycznej. Podłoża takie są trudne do uzyskania technologicznie, a ich dostępność na rynku jest ograniczona.

Polska jest jednym z liderów wytwarzania wysokiej jakości kryształów i podłoży GaN. Metoda amonotermalna (AT) i wodorkowa z fazy gazowej (HVPE – ang. Halide Vapor Phase Epitaxy) są technologiami rozwijanymi w Instytucie Wysokich Ciśnień PAN. Projekt ukierunkowany będzie na badania kryształów GaN otrzymanych metodą amonotermalną (AT-GaN). Krystalizacja AT odbywa się w roztworze nadkrytycznego amoniaku w temperaturze 450-550°C i ciśnieniu rzędu kilku tysięcy atmosfer w autoklawie wysokociśnieniowym, podzielonym na strefę rozpuszczania i krystalizacji. W tej pierwszej rozpuszczany jest materiał źródłowy GaN, który transportowany jest do drugiej strefy, gdzie następuje przesycenie roztworu i krystalizacja GaN na natywnych zarodziach. Transport odbywa się dzięki procesowi konwekcji w odpowiednio dobranym gradiencie temperatury. Metoda AT pozwala na uzyskanie kryształów o wyjątkowo niskiej gęstości dyslokacji oraz bardzo małym wygięciu płaszczyzn krystalograficznych. Wadami metody AT jest natomiast niska czystość otrzymanych kryształów, czyli stosunkowo wysoka koncentracja defektów punktowych (obce atomy, czyli domieszki i defekty strukturalne). Z drugiej strony, metoda HVPE polega na szybkiej epitaksji grubych kryształów w temperaturach wyższych niż 1000°C. HVPE-GaN charakteryzuje się wysoką czystością, dzięki dużo niższej zawartości donorów i kompensujących defektów. W projekcie kryształy HVPE-GaN będą użyte jako referencyjne w stosunku do AT-GaN w celu stworzenia ogólnego obrazu defektów punktowych w objętościowym GaN. Główną nieintencjonalną domieszką w rozważanych kryształach AT-GaN jest tlen, który jako donor decyduje o wysokim przewodnictwie typu n (elektronowym). Aby uzyskać przewodnictwo dziurowe (typ p) stosuje się intencjonalne domieszkowanie akceptorami, takimi jak Mg lub Zn, o odpowiednio dużej koncentracji. Można również uzyskać kryształy nieprzewodzące (tzw. półizolujące) w temperaturze pokojowej (oporność wyższa niż 106 Ωcm), jeśli donory tlenowe będą idealnie skompensowane akceptorami płytkimi (Mg, Zn) lub głębokimi (Mn). Z kolei kryształy HVPE charakteryzują się bardzo niską (rzędu 1016 cm-3) koncentracją tlenu. Wstępne badania wskazują, że głównym defektem punktowym występującym w nieintencjonalnie domieszkowanym materiale AT-GaN są luki galowe, które dodatkowo mogą wiązać maksymalnie cztery atomy wodoru. Wymienione defekty mogą ograniczać otrzymywanie kryształów o pożądanych własnościach elektrycznych, tworzyć pasma absorpcyjne w zakresie widzialnym lub aktywnie uczestniczyć w przejściach optycznych, np. stanowiąc centra rekombinacji niepromienistej.

Projekt otwiera możliwość badania fizyki defektów w objętościowym GaN o szerokim spektrum właściwości elektrycznych (typ n, typ p, kryształy półizolujące i poziomu domieszkowania. Przeprowadzone prace dostarczą cennych informacji na temat sprzyjających warunków formowania się konkretnych defektów, weryfikacji położenia ich poziomów energetycznych (znanych z obliczeń teoretycznych), ich oddziaływania z domieszkami. Wyniki pozwolą również wzbogacić wiedzę o zachowaniu defektów podczas wygrzewania po-procesowego w kryształach GaN o wysokiej koncentracji tlenu i luk galowych (w kompleksach z tlenem i wodorem), tj. roli jaką pełni wodór, tlen i luki galowe (w kompleksach z wodorem), w szczególności w kryształach AT-GaN domieszkowanych akceptorami (Mg, Zn, Mn). Wyjaśnienie mikroskopowego mechanizmu zmian wzajemnych koncentracji defektów pod wpływem wygrzewania będzie wymiernym sukcesem projektu. Wiedza o rodzaju i koncentracji defektów w objętościowych kryształach GaN jest konieczna dla kontroli procesu wzrostu i otrzymania podłoży GaN o pożądanych własnościach.

Cel projektu

Główne cele projektu to:

1. identyfikacja defektów punktowych w kryształach objętościowych AT GaN o różnym typie przewodnictwa,
2. określenie wpływu ich koncentracji na własności elektryczne i optyczne materiału oraz
3. określenie mikroskopowego mechanizmu zmian własności elektrycznych pod wpływem wygrzewania i zmiany dystrybucji defektów w kryształach AT-GaN. Przeprowadzone zostaną kompleksowe badania defektów punktowych (wraz z ich koncentracją) w rozważanych kryształach za pomocą różnych metod eksperymentalnych. Wyniki eksperymentalne zostaną opisane za pomocą obliczeń opartych na rozwiązaniu tzw. równania neutralności w celu uzyskania kompleksowego obrazu defektów punktowych w AT-GaN.

Współpraca międzynarodowa

Brak.

Publikacje

Wyniki projektu zostały opublikowane w następujących pracach:

• M. A. Reshchikov, M. Vorobiov, K. Grabiańska, M. Zajac, M. Iwinska, M. Bockowski, Journal of Applied Physics, “Defect-related photoluminescence from ammono GaN”, 129 (2021) 095703, https://doi.org/10.1063/5.0045019.
• M. Reshchikov, D. Demchenko, D. Ye, O. Andrieiev, M. Vorobiov, K. Grabianska, M. Zajac, P. Nita, M. Iwinska, M. Bockowski, „The effect of annealing on photoluminescence from defects in ammonothermal GaN” Journal of Applied Physics 131 (2022) 035704, https://doi.org/10.1063/5.0077796.
• M. Amilusik, M. Zajac, T. Sochacki, B. Łucznik, M. Fijalkowski, M. Iwinska, D. Włodarczyk, A.K. Somakumar, A. Suchocki, M. Bockowski, “Carbon and Manganese in Semi-Insulating Bulk GaN Crystals”, Materials 15(7) (2022) 2379, https://doi.org/10.3390/ma15072379.
• L. Konczewicz, E. Litwin-Staszewska, M. Zajac, H. Turski, M. Bockowski, D. Schiavon, M. Chlipała, Malgorzata Iwinska, P Nita, S. Juillaguet, S. Contreras, “Electrical transport properties of highly doped N-type GaN materials”, Semiconductor Science and Technology 37 (2022) 055012, DOI: https://10.1088/1361-6641/ac5e....
• L.Konczewicz, M. Iwinska, E. Litwin-Staszewska, M. Zajac, H. Turski, M. Bockowski, D. Schiavon, M. Chlipała, S. Juillaguet, S. Contreras, “Negative Magnetoresistivity in Highly Doped n-Type GaN”, Materials 15(20) (2022) 7069, https://doi.org/10.3390/ma15207069.
• Q. Liu, M. Zajac, M.Iwińska, S. Wang, W. Zhuang, M. Bockowski, X. Wang, “Carbon doped semi-insulating freestanding GaN crystals by ethylene”, Applied Physics Letters 121 (2022) 172103, https://doi.org/10.1063/5.0118250.
• L. Konczewicz, S. Juillaguet, M. Zajac, E. Liwin-Staszewska, M. Al. Khalfioui, M. Leroux, B. Damilano, J. Brault, S. Contreras, “Low-Temperature Electrical Transport Properties of Molecular Beam Epitaxy-Grown Mg-Doped GaN” Subjected to a High-Temperature Annealing Process, Phys. Status Solidi A, 22, 2200769 (22.01.2023), https://doi.org/10.1002/pssa.202200769.
• M. Amilusik, M. Zajac, M. Fijalkowski, M. Iwinska, T. Sochacki, D. Wlodarczyk, A.K. Somakumar, R. Jakiela, A. Suchocki, M. Bockowski, “Role of carbon in n-type bulk GaN crystals”, Journal of Crystal growth 632 (2024) 127641, https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2024.127641.
• M. Zajac, P. Kaminski, R. Kozlowski, E. Litwin-Staszewska, R. Piotrzkowski, K. Grabianska, R. Kucharski R. Jakiela, „Formation of Grown-In Nitrogen Vacancies and Interstitials in Highly Mg-Doped Ammonothermal GaN”, MDPI Materials 17 (2024) 1160, https://doi.org/10.3390/ma17051160.

Zgłoszenia patentowe

Brak.

Profesor

Brak.

Rozprawy doktorskie

Brak.

Prace magisterskie

Brak.

Wystąpienia konferencyjne

Wyniki projektu zostały zaprezentowane przez:

• M. Bockowski, „Recent progress in bulk GaN crystal growth” Materials Science and Advanced Electronics Created by Singularity (on-line international conference organized by Tokyo University); 01-03.02.2021 (invited talk).
  
• M. Bockowski, Huawei Strategy and Technology Workshop (STW) 2021, 14-16.10 2021, „GaN-on-GaN technology - challenges and perspectives” (international on-line conference organized by Huawei Corporation), invited talk.
  
• M. Bockowski, “Towards GaN-on-GaN high-power electronic devices”, IGIR Open Seminar at Institute of Global Innovation Research, Tokyo University of Agriculture and Technology, Tokyo, Japan, 20.12. 2022 (invited talk).
  
• M. Bockowski, “Towards GaN-on-GaN” high-power electronic devices, 2022 European Innovation Stars Workshop, 18.11. 2022 Leuven, Belgium; (invited talk).
  
• M. Bockowski, “Towards GaN-on-GaN high-power electronic devices”, Swedish Centre for III-nitride technology (C3NiT), Linkoping, Sweden, 10.11. 2022; (invited talk).
  
• K. Grabianska, R. Kucharski, T. Sochacki, M. Bockowski, “On stress induced polarization effect in ammonothermally-grown GaN crystals” , 9th International Conference on Light -Emitting Devices and Their Industrial Applications, LEDIA-2022, Pacifico-Yokohama, Japan&on-line, 21-22.04 (2022), hybrid mode (on-line participation), invited talk.
  
• M. Bockowski, “What has recently been discovered and what we still need to find out about crystallization of truly bulk GaN”, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), 09-14.10, 2022 Berlin, Germany; (invited talk).
  
• M. Zajac, L. Kończewicz, E. Litwin Staszewska, R. Piotrzkowski, M. Boćkowski, Roman Kozłowski, Paweł Kamiński, “Point defects in ammonothermal GaN”, Institute of High Pressure Physics PAS Seminar on Nitride Semiconductors, 06.02.2023, Warsaw, Poland (invited lecture on seminar presented in hybrid mode).
  
• M. Zając, L. Kończewicz, E. Litwin Staszewska, R. Piotrzkowski, Roman Kozłowski, Paweł Kamiński, “Role of Nitrogen Vacancies in Obtaining Semi-Insulating Properties of Ammonothermal GaN:Mg”, 32nd International Conference on Defects in Semiconductors, 10-15.09.2023 Rehoboth Beach, USA, Delaware (contributed talk).

Postery

• M. Zajac, P. Nita, L. Konczewicz, R. Piotrzkowski, E. Litwin-Staszewska, M.Iwinska, T. Sochacki, R. Kucharski, and M. Bockowski, “High-temperature Properties of Electron Transport in Semi-insulating GaN:Mn Monocrystals”, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), October 09-14, 2022 Berlin, Germany.
  
• M. Zajac, P. Nita, L. Konczewicz, E. Litwin-Staszewska, R. Piotrzkowski, R. Kucharski, M. Bockowski,R. Kozlowski, P. Kaminski, “Identification and Quantitative Analysis of Point Defects in Semi-Insulating GaN:Mg Ammonothermal: Crystals, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), October 09-14, 2022 Berlin, Germany.
  
• L. Kończewicz, E. Litwin-Staszewska, M. Zajac, H. Turski, M. Bockowski, D. Schiavon, M. Chlipała, M. Iwinska, P. Nita, S. Juillaguet, S. Contreras, “Electrical transport properties of highly doped n-type GaN material”, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), October 09-14, 2022 Berlin, Germany.
  
• L. Kończewicz, M. Iwinska, E. Litwin-Staszewska, M. Zajac, H. Turski, M. Bockowski, D. Schiavon, M. Chlipała, S. Juillaguet, S. Contreras, “Negative magnetoresistivity in highly doped N-Type GaN L. Konczewicz”, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), October 09-14, 2022 Berlin, Germany.
  
• L. Konczewicz, S. Juillaguet, M. Zajac, E. Litwin-Staszewska, M. Al Khalfioui, M. Leroux, B. Damilano, J. Brault, S. Contreras, “Low temperature electrical transport properties of MBE-grown Mg-doped GaN subjected to a high temperature annealing process”, The International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN), October 09-14, 2022 Berlin, Germany.
  
• M. Zajac, L. Konczewicz, E. Litwin-Staszewska, R. Piotrzkowski, R. Kucharski, R. Kozlowski, P. Kaminski, Observation of Nitrogen vacancies in semi-insulating ammonothermal GaN:Mg, XIV International Conference on Nitride Semiconductors (ICNS), 12-17.11.2023, Fukuoka, Japonia; plakat.